FPGA steuert Leistungshalbleiter an

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Verbesserung der Vibrationsfestigkeit

Der Wechsel von ehemals eingesteckten Lastanschlüssen hin zu nun eingespritzten Terminals (Bild 3A) dient der Verbesserung der Vibrationsfestigkeit. Mikrobewegungen der Terminals früherer Generationen konnten hier zu zusätzlicher mechanischer Belastung der Bondverbindungen zwischen Terminal und DCB führen.

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Als eine sowohl thermisch als auch elektrisch wirksame Veränderung ist die neue System-Bondung anzusehen. Als System-Bondung gelten alle Bonddrähte, die entweder verschiedene Substrate miteinander verbinden oder die elektrische Kontaktierung zwischen DCB und Anschlüssen am Modulrahmen gewährleisten. In (Bild 3B) ist ein Ausschnitt der System-Bondung gezeigt. Statt wie bisher mit Aluminiumdraht zu arbeiten erfolgte hier die Verwendung von Kupfermaterial.

Die höhere spezifische Leitfähigkeit ermöglicht es, den gewachsenen Modulstrom zu transportieren, ohne die Anzahl der Bonddrähte zu erhöhen. Dies ist aus Platzgründen häufig auch gar nicht möglich. Die geringeren ohmschen Verluste an den Kupferdrähten führen darüber hinaus zu geringeren Temperaturen. Das Material ermöglicht damit die Einhaltung aller Temperaturgrenzen, die für den Bau und Betrieb von Halbleitermodulen vorgegeben sind.

Ebenfalls auf eine Verbesserung der externen Verbindungsqualität zielt der Ersatz der Löttechnik durch Einpresstechnik. In anspruchsvollen Applikationen sind Lotstellen über lange Einsatzdauer hinweg sowohl hohen Temperaturhüben als auch mechanischer Belastung durch Vibration ausgesetzt. Die kontinuierliche Zerrüttung der Lotverbindung führt auf sogenannte kalte Lötstellen zurück, deren elektrischer Kontakt zunächst intermittierend, im Extremfall völlig zerstört ist.

Die neu eingeführten PressFIT-Kontakte (Bild 3C) gehen mit dem Platinenmaterial eine Verbindung in Form einer Kaltverschweißung ein. Diese Verbindung erweist sich als gasdicht, vibrationsresistent und elektrisch hochwertig. Gemessen an den aus der Literatur bekannten Ausfallraten ist die eingepresste Verbindung um den Faktor 100 zuverlässiger als eine vergleichbare Löt- oder Federkontaktstelle.

Eine weitere thermische Verbesserung besteht in der ab Werk aufgetragenen Schicht (Bild 3D), die nach der Montage des Moduls die thermische Anbindung an den Kühlkörper bewerkstelligt. Das speziell für diese Art Module entwickelte thermische Interface-Material (TIM) besteht aus einer phasenwechselnden Trägermatrix, auf der ein thermisch aktiver Füllstoff aufliegt. Die Auftragung im Werk erfolgt mittels vollautomatisierten Prozess mit präziser Prozesskontrolle. Hiermit ist sichergestellt, dass die vorbestimmte Menge an Material aufgetragen ist.

Das im Bild 3 erkennbare Muster korreliert mit der makroskopischen Geometrie der Bodenplatte; über die verschieden großen Waben lässt sich lokal das benötigte Minimalvolumen auftragen. Die durch diese Maßnahme wachsenden Flächen ohne TIM erzeugen direkten Metall-Metall-Kontakt, was der thermischen Kopplung des Moduls dienlich ist.

In ausgiebigen Testreihen, untermauert durch jahrelange Felderfahrung, hat sich das Material als thermisch herausragend und mechanisch belastbar dargestellt. Der als kritisch einzustufende Fehlermechanismus Auspumpen von Wärmeleitpaste tritt an dem neuen Material nicht auf.

Eine Neuentwicklung speziell für Module in der Anwendung Commercial and Agricultural Vehicles (CAV) besteht in einer hoch zuverlässigen Systemlötung. Die Systemlötung ist die Verbindungsstelle zwischen den Trägersubstraten und der Modulbodenplatte. Durch geringe Abweichungen in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kontaktpartner entsteht an diesem Übergang eine mechanische Spannung, die zur Delamination in der Lotschicht führt. Eine solche Schädigung verringert den Querschnitt, der für den thermischen Transfer zur Verfügung steht. Der Fehlermechanismus erfährt eine positive Rückkopplung, da weniger abtransportierte Wärmeenergie zu noch höheren Temperaturen führt. Bild 4 zeigt Auswertungen aus der Ultraschallmikroskopie, die den Test mit der neuen Systemlötung dokumentieren. Zum Vergleich ist ein Industriemodul mit herkömmlicher Lötung abgebildet.

* Thomas Vetter ist CEO der ARADEX, Lorch.

* Dr. Martin Schulz arbeitet im Application Engineering bei Infineon Technologies, Warstein.

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